TWI777774B

TWI777774B - 滾珠式凸輪傳動機構

Info

Publication number: TWI777774B
Application number: TW110134829A
Authority: TW
Inventors: 蔡得民; 徐坤龍; 陳韋名
Original assignee: 國立中山大學
Priority date: 2021-09-17
Filing date: 2021-09-17
Publication date: 2022-09-11
Also published as: TW202314144A; JP7386566B2; US20230086375A1; US11668376B2; JP2023044667A

Abstract

一種滾珠式凸輪傳動機構，包含一以一第一軸線為轉軸轉動的旋轉盤、一沿一垂直該第一軸線之第二軸線緊鄰該旋轉盤的凸輪軸、多個接觸件，及一用以限位該等接觸件的外殼。該旋轉盤包括一本體，及多個凸設於該本體且界定多個容槽的凸出部。該凸輪軸以一第三軸線為轉軸轉動，並包括一軸桿，及一套設該軸桿的輪體。該輪體界定一與部分該等容槽連通的溝槽，定義該溝槽與該等容槽連通區域及所述容槽形成多個配置空間，每一配置空間的至少一部分沿該旋轉盤的切線方向延伸。該等接觸件分別容設於該等配置空間並自由滾動，藉此傳遞轉動動能。

Description

滾珠式凸輪傳動機構

本發明是有關於一種動力傳動機構，特別是指一種滾珠式凸輪傳動機構。

參閱圖1與圖2，為一現有的凸輪傳動機構1，包含一轉盤單元11，及一連動於該轉盤單元11的凸輪單元12。該轉盤單元11包括一圓盤111，及多個環繞該圓盤111之圓心而等角間隔排列的接觸件112。其中，該圓盤111圍繞界定出多個分別供該等接觸件112設置的槽孔110，而該接觸件112具有一插設固定於該槽孔110的插銷部118，及一個一體連接於該插銷部118且有一部分凸出於該圓盤111之外的圓球部119。每一個接觸件112之該圓球部119顯露於該圓盤111之外的部分概呈半圓球狀。該凸輪單元12包括一以垂直於該圓盤111之轉軸的轉軸而轉動的凸輪軸121，及一套設於該凸輪軸121的凸輪體122。其中，該凸輪體122具有一圍繞轉軸而呈螺旋延伸，並且界定出一用以供一部分之該等接觸件112容納之螺旋槽120的螺旋肋129。

當該凸輪單元12受到動力源(圖中未繪示)的帶動，因而使得該凸輪軸121轉動，藉由該螺旋槽120的螺旋延伸型態，會對於容置於該螺旋槽120中的接觸件112，產生沿該圓盤111切線方向的推力，藉此使得該轉盤單元11以不同於該凸輪單元12之轉動方向的方向轉動。具體而言，該圓盤111的轉軸與該凸輪軸121的轉軸是相互垂直的，藉此達成改變動力方向的傳動目的。

然而，為了使該等接觸件112確實固定於該圓盤111上，每一個接觸件112必須額外加工而製成結構相對較為精細的該插銷部118，勢必因而影響到製造效率甚至加工成本。另外，也由於該等接觸件112是固定於該圓盤111上，動能傳遞時除了沿該圓盤111之切線方向的有效分力，其餘將會由實體結構承受，不但造成動能傳遞的限制，無形中也提高了該凸輪傳動機構1的運作負荷。因此，在考量該凸輪傳動機構1運作負荷較大的情況下，為求整體得以穩定運作，必須採用增加實體結構厚度、強度，或者配置其他分擔負荷之元件的方式，也使得該凸輪傳動機構1無法直接縮小尺寸而因應微型化需求及趨勢。

因此，本發明之目的，即在提供一種加工相對簡單並能降低運作負荷的滾珠式凸輪傳動機構。

於是，本發明滾珠式凸輪傳動機構，包含一能以一第一軸線為轉軸而轉動的旋轉盤、一沿一垂直該第一軸線之第二軸線緊鄰於該旋轉盤的凸輪軸、多個接觸件，及一沿該第一軸線包覆於該旋轉盤外的外殼。

該旋轉盤包括一呈圓盤狀且具有一外環緣的本體，及多個間隔凸設於該本體之該外環緣的凸出部，每二個相鄰的該凸出部間隔界定一容槽。

該凸輪軸能以一同時垂直於該第一軸線及該第二軸線的第三軸線為轉軸而轉動，並包括一軸桿，及一套設於該軸桿且具有一抵靠於該外環緣之外弧面的輪體。該輪體界定出至少一凹設於該外弧面並環繞該第三軸線，且與一部分之該等容槽連通的溝槽，定義該至少一溝槽與該等容槽連通的區域及所述容槽共同形成多個配置空間，每一個該配置空間至少有一部分是沿該旋轉盤的切線方向延伸。

該等接觸件分別容設於該等配置空間，並用以自由滾動而將該凸輪軸的轉動動能傳遞至該旋轉盤。

該外殼至少遮蔽該等配置空間的一部分，以將該等接觸件分別限位於該等配置空間內。

本發明之功效在於：該等接觸件分別容設在該等配置空間時，能因藉由該等配置空間沿平行該第三軸線之方向，也就是該旋轉盤之切線方向延伸的型態，達成將該凸輪軸的轉動動能傳遞至該旋轉盤的基本目的，且由於該等接觸件是由該外殼達成限位效果而在該等配置空間中自由滾動，因此不需額外加工用來定位的精細結構或者設計其他定位機制，非目標傳遞方向的分力也能該外殼分散負擔，不但有效降低運作負擔，也因此能考量直接縮小尺寸而因應微型化的需求。

2:旋轉盤

200:容槽

21:本體

211:外環緣

22:凸出部

3:凸輪軸

300:溝槽

31:軸桿

32:輪體

320:外弧面

321:基準端

322:擴徑端

4:接觸件

5:外殼

50:殼座

500:鍵槽

501:卡塊

51:殼體

52:調整構件

7:刀具

L1:第一軸線

L2:第二軸線

L3:第三軸線

S:配置空間

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一立體圖，說明一現有的凸輪傳動機構；圖2是一側視的示意圖，說明該凸輪傳動機構的運作；圖3是一前視圖，說明本發明滾珠式凸輪傳動機構的一第一實施例；圖4是一示意圖，說明該第一實施例之一旋轉盤及一凸輪軸的連接關係；圖5是一視角不同於圖4的剖視圖，說明該凸輪軸之一輪體的型態；圖6是一示意圖，說明以一刀具加工製成該凸輪軸的情況；圖7是一立體圖，說明該第一實施例之一外殼的一調整構件的用途；圖8是一示意圖，說明該凸輪軸轉動而透過該第一實施例之多個接觸件將動能傳遞至該旋轉盤的情況；圖9與圖10皆是示意圖，說明該凸輪軸與該等接觸件之連接關係的其他實施態樣；圖11是一示意圖，說明本發明滾珠式凸輪傳動機構的一第二實施例；及圖12是一前視圖，說明本發明滾珠式凸輪傳動機構的一第三實施例。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖3與圖4，為本發明滾珠式凸輪傳動機構之一第一實施例，本第一實施例包含一能以一第一軸線L1為轉軸而轉動的旋轉盤2、一沿一垂直該第一軸線L1之第二軸線L2緊鄰於該旋轉盤2的凸輪軸3、多個以金屬材質製成且呈圓球型的接觸件4，及一沿該第一軸線L1包覆於該旋轉盤2外的外殼5。

該旋轉盤2包括一呈圓盤狀且具有一外環緣211的本體21，及多個間隔凸設於該本體21之該外環緣211的凸出部22。每二個相鄰的該凸出部22間隔界定一容槽200，且每一個容槽200沿平行該第一軸線L1之方向的截面，是選自梯形、圓弧形、或哥德式弧形的其中一種。在本第一實施例中，為配合每一個接觸件4為圓球型的情況，每一個容槽200沿平行該第一軸線L1之方向的截面較佳是呈圓弧形。定義一同時垂直於該第一軸線L1及該第二軸線L2的第三軸線L3，每一個所述容槽200是以沿該旋轉盤2的切線方向傾斜延伸地沿該第一軸線L1的方向貫通，藉此在與該凸輪軸3連接處，提供沿該第三軸線L3延伸的分量。

該凸輪軸3適用於連接動力源(圖中未繪示)而以該第三軸線L3為轉軸而轉動，並包括一沿該第三軸線L3延伸的軸桿31，及一套設於該軸桿31的輪體32。如圖5所示，該輪體32具有一抵靠於該外環緣211之外弧面320，而若是以每一個沿該第三軸線L3的截面為基準，還具有一與該軸桿31間之徑向距離最近的基準端321，及一位於該基準端321相反於該軸桿之一側，且與該軸桿31間之徑向距離較大的擴徑端322。參閱圖4與圖5，該輪體32界定出四個凹設於該外弧面320並環繞該第三軸線L3，且分別與該等容槽200之中的其中四個相互連通的溝槽300。每一個溝槽300沿平行該第一軸線L1之方向的截面，是選自梯形、圓弧形、或哥德式弧形的其中一種。在本第一實施例中，為配合每一個接觸件4為圓球型的情況，每一個溝槽300沿平行該第一軸線L1之方向的截面較佳是呈圓弧形。定義該等溝槽300與該等容槽200連通的區域及所述容槽200共同形成多個配置空間S，每一個該配置空間S中，個別之容槽200的區域是沿該旋轉盤2的切線方向延伸。

參閱圖6，若預先考量製成該凸輪軸3的加工作業，並以加工流程簡便、精簡加工機具為原則，由於該等溝槽300的型態是選自梯形、圓弧形、或哥德式弧形的其中一種，於是採用最常用的切削加工時，可直接選擇對應形狀的一刀具7而切削出所需之該等溝槽300的型態。另外，在執行加工作業時，是先使該凸輪軸3以自身軸向為轉軸而轉動，而該刀具7只需要配合能提供三軸移動一軸旋轉之自由度的驅動設備(圖中未繪示)即可，不需要配合含有兩旋轉軸之較複雜的專用設備，能有效精簡加工機具。

重新參閱圖4與圖5，該等接觸件4分別容設於該等配置空間S，並用以自由滾動而將該凸輪軸3的轉動動能傳遞至該旋轉盤2。在本第一實施例中，因應每一個容槽200沿平行該第一軸線L3之方向的截面為圓弧形的態樣，每一個接觸件4較佳為金屬材質製成的球型滾珠。但要特別說明的是，實際實施本第一實施例時，可能因應每一個容槽200沿平行該第一軸線L1之方向的其他形態之截面，選擇使用橢圓形、柱形的該等接觸件4，更能選擇其他例如陶瓷、塑鋼、木質之類的堅硬材質，只要能盡可能發揮傳遞轉動動能的效果即可，並不以所述的金屬球型滾珠為限。

參閱圖7並配合圖4，該外殼5遮蔽該等配置空間S的一部分，以將該等接觸件4分別限位於該等配置空間S內。其中，該外殼5包括一個配合該旋轉盤2的型態而遮蔽除了鄰近該等配置空間S周遭之區域的殼體51，及一可沿平行該第一軸線L1之方向來回移動地連接於該殼體51，且用以調整與該等接觸件4之間隙的調整構件52。透過該調整構件52適度調整，能避免該等接觸件4在該等配置空間S中產生偏移，除了確保該等接觸件4維持在對於傳遞扭矩而言較佳的位置，也能藉此將其他方向的分力傳遞至該外殼5，降低該旋轉盤2的受力，達成降低該旋轉盤2運作負荷的目的。

參閱圖8並配合圖3與圖4，當該凸輪軸3隨著動力源的作動而以該第三軸線L3為轉軸而轉動，在該等配置空間S中滾動的該等接觸件4，即也同時在該旋轉盤2的該等容槽200中滾動。由於每一個容槽200含有該旋轉盤2之切線方向的延伸分量，因此該等接觸件4在當中滾動時，即會相對帶動該旋轉盤2轉動，藉此達成動能傳遞的目的。

其中，正因為該等接觸件4是分別在該等配置空間S中自由滾動，即是透過該外殼5、該旋轉盤2，及該凸輪軸3共同圍繞出限制該等接觸件4的移動範圍，於是不需要如同先前技術額外針對該等接觸件4加工製成相對精細的固定結構，也不需要額外配置例如磁吸、彈簧等等定位機制，得以大幅簡化製造階段的製程。除此之外，該等接觸件4的自由滾動，也能將目標傳動方向以外的分量分散傳遞至該外殼5，故也能降低該旋轉盤2及該凸輪軸3之實體結構運作負擔。據此，在實體結構運作負擔較小的情況下，不需考量到透過一定體積來達成一定的剛性，或者配設其他增加實體強度的配件，若是需要因應較小尺寸的微型化需求時，即可直接縮小整體尺寸來輕易達成。

要另外說明的是，由於該凸輪軸3的該輪體32如圖5所示地為該基準端321及該擴徑端322徑向寬度不同的凸輪，因此在該凸輪軸3轉動時，只要預先設定與該旋轉盤2之間的間隔距離，可在旋轉至該擴徑端322接觸該等接觸件4時，才帶動該旋轉盤2轉動，藉此產生間歇式的扭矩傳遞。

參閱圖9與圖10，如圖5所呈現之該凸輪軸3與該等接觸件4相對呈現之0度而接觸該旋轉盤2的情況，實際實施時，當然也能依照其他需求而調整相互之間的接觸角度，諸如圖9所呈現的45度，以及圖10所呈現的90度，且並不以圖5、圖9、圖10所呈現的相對連結關係為限。

參閱圖11，為本發明滾珠式凸輪傳動機構之一第二實施例，本第二實施例與該第一實施例的差別在於：每一個所述容槽200是沿平行該第一軸線L1的方向貫通延伸，而該凸輪軸3之該輪體32界定出一個沿該第三軸線L3呈螺旋延伸的所述溝槽300。也就是說，每一個配置空間S沿該旋轉盤2的切線方向延伸的部分，是透過該溝槽300因螺旋延伸而沿該第三軸線L3傾斜的型態。因此，在該凸輪軸3轉動時，隨著該等接觸件4在該溝槽300中滾動，即會相對提供該旋轉盤2沿該第三軸線L3的分量，藉此達成傳遞動能的目的。除此之外，本第二實施例可達成與該第一實施例完全相同的功效。

參閱圖12，為本發明滾珠式凸輪傳動機構之一第三實施例，本第三實施例與該第一實施例及該第二實施例的區別在於：該外殼5包括一用以供該凸輪軸3設置的殼座50，及一可沿平行該第二軸線L2之方向來回移動地連接於該殼座50，且用以調整該旋轉盤2、該等接觸件4，與該凸輪軸3間之間隙的調整構件52。也就是說，該調整構件52的活動自由度是沿著平行該第二軸線L2的方向，具體而言，該殼座50與該調整構件52之間，是透過使兩個卡塊501分別可移動地容置於兩個沿平行該第二軸線L2之方向延伸的鍵槽500中，使得該調整構件52相對於該殼座50移動時，得以透過該調整構件52的直接推抵，調整該旋轉盤2、該等接觸件4，與該凸輪軸3沿平行該第二軸線L2的間隙。除此之外，本第三實施例可達成與該第一實施例、該第二實施例完全相同的功效。

綜上所述，本發明滾珠式凸輪傳動機構，透過自由滾動的該等接觸件4達成傳遞動能的目的，因此不需要額外對該等接觸件4加工固定結構或者設計定位機制，且該旋轉盤2及該凸輪軸3的加工機具也相對精簡，除了能達成簡化加工的目的，更有利於降低例如該旋轉盤2及該凸輪軸3之實體結構的運作負荷，故能採用直接縮小整體尺寸的方式因應微型化的需求。因此，確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。